JP2007320691A - Vibration-type conveying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は振動式搬送装置に係り、特に、圧電素子を含む振動発生源を駆動する場合に好適な励振用駆動回路の構成に関する。 The present invention relates to a vibration type conveying apparatus, and more particularly to a configuration of an excitation driving circuit suitable for driving a vibration generating source including a piezoelectric element.
一般に、振動発生源に交流電圧を印加することにより搬送体を振動させて搬送物を搬送する振動式搬送装置が種々の生産ラインにおいて頻繁に用いられている。特に、表面実装型電子部品や発振器用水晶振動片などといった微細な部品を大量に整列させて供給する部品供給装置として、上記振動式搬送装置は生産ラインの高速化に大きく寄与している。 In general, a vibration type conveying apparatus that vibrates a conveying body by applying an AC voltage to a vibration generating source and conveys an object to be conveyed is frequently used in various production lines. In particular, as a component supply device that supplies a large number of fine components such as surface-mount electronic components and crystal oscillators for oscillators, the vibratory transfer device greatly contributes to speeding up the production line.
従来の振動式搬送装置には上記振動発生源として電磁式振動源や圧電式振動源が用いられているが、近年の振動式搬送装置の小型化や高速化に伴い、圧電式振動源が多く用いられるようになってきている。この圧電式振動源としては、弾性金属板(金属シム板)に圧電素子が接着されてなる圧電駆動体が多く用いられている。この場合、弾性金属板が装置の架台に電気的に接続されているため、電気的安全性を確保するために、励振用駆動回路の出力段(後述するインバータの後段)には絶縁トランスを接続し、この絶縁トランスを介して圧電素子を駆動するようにしている(例えば、以下の特許文献1及び2の「課題」の欄)。
Conventional vibration transfer devices use an electromagnetic vibration source or a piezoelectric vibration source as the vibration generation source. However, with the recent reduction in size and speed of vibration transfer devices, there are many piezoelectric vibration sources. It has come to be used. As this piezoelectric vibration source, a piezoelectric driving body in which a piezoelectric element is bonded to an elastic metal plate (metal shim plate) is often used. In this case, since the elastic metal plate is electrically connected to the frame of the device, an insulating transformer is connected to the output stage of the drive circuit for excitation (after the inverter described later) in order to ensure electrical safety. However, the piezoelectric element is driven through this insulating transformer (for example, the column “Problems” in
一方、上記弾性金属板に絶縁層を介して圧電素子が接着されてなる絶縁型の圧電振動源が知られており、この絶縁層を介する構造によって圧電素子の振動性能の向上を図ることができるとともに、絶縁カバー等を省略することが可能で、さらに上記絶縁トランスを省略して励振用駆動回路の小型化及び低コスト化を図ることができるといった効果が得られる(例えば、以下の特許文献1及び2参照)。
On the other hand, an insulation type piezoelectric vibration source in which a piezoelectric element is bonded to the elastic metal plate via an insulating layer is known, and the vibration performance of the piezoelectric element can be improved by the structure via the insulating layer. In addition, it is possible to omit an insulating cover and the like, and further, it is possible to reduce the size and cost of the excitation drive circuit by omitting the insulating transformer (for example,
また、上記のような振動式搬送装置において振動発生源を駆動するために用いられる励振用駆動回路の構成としては、商用電源の交流電圧を整流器及びDC/DCコンバータ等により直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータに供給して生成した交流電圧を振動発生源に印加するとともに、振動発生源へ供給される電流を検出し、当該電流とインバータの出力電圧との位相差を求めることで振動発生源の印加電力を算出し、この印加電力を用いて振動発生源の共振周波数を検出するようにしたものが知られている(例えば、以下の特許文献3及び4参照)。
Further, as the configuration of the excitation drive circuit used for driving the vibration source in the vibration type conveying apparatus as described above, the AC voltage of the commercial power source is converted into a DC voltage by a rectifier and a DC / DC converter, The AC voltage generated by supplying this DC voltage to the inverter is applied to the vibration source, the current supplied to the vibration source is detected, and the phase difference between the current and the output voltage of the inverter is obtained to detect vibration. There is known a technique in which the applied power of the generation source is calculated and the resonance frequency of the vibration generation source is detected using the applied power (see, for example,
ところで、上述の特許文献1及び2には、絶縁構造を有する圧電素子を用いることで絶縁トランスが不要になると記載されているが、従来の励振用駆動回路から単に絶縁トランスを除去すると、インバータの高周波ノイズにより圧電素子の動作が不安定になるとともに、騒音が大きくなるという問題点がある。また、従来の励振用駆動回路では振動式搬送装置に要求される圧電素子の駆動力や振幅を確保するために200Vを超える高電圧が必要となるため、これによってインバータに供給する直流電圧を高電圧化するために昇圧回路が必要となる。しかしながら、この昇圧回路を入れると定格電流を十分に確保するためには回路の大型化及び高価格化が避けられないので、上記のように上記の絶縁トランスが省略できたとしても、実際上、小型化及び低価格化を図ることが難しいという問題点がある。
By the way, in
また、上記特許文献3及び4に記載の共振点を求める方法においては、印加電力をインバータの出力電圧、電流、力率の積で求めているところ、出力電圧と電流の位相差を正確に求めることは困難であるため、共振点を正確に求めることができないという問題点がある。具体的に述べると、上記公報に記載されている方法では、検出電流にノイズが重畳しているためにゼロクロス検出器とマイコンの割り込み動作を用いているが、このようにしても誤差が大きくなり、正確な位相差を算出することができないため、実用的な装置を構成することはきわめて難しい。例えば、上記特許文献では電流値を検出するために回路中に組み込まれた電流検出用の抵抗の両端電圧をフィルタを介して制御回路に入力しているが、これでも検出誤差を十分に低減できない。特に、振動発生源に圧電素子を用いる場合においては、電流がきわめて微弱(通常は数mA程度)であり、また、電流検出用の低抵抗(通常は1Ω以下)を用いた場合には検出電圧が小さいため、供給電圧、電流、位相差から印加電力を求めることは非現実的である。
Moreover, in the method of calculating | requiring the resonance point of the said
さらに、振動発生源については、搬送体や搬送物に応じて大小さまざまな形態に構成したり、使用する振動発生源の数を増減させたりする場合がある。例えば、小型の装置では圧電素子を二枚使用すれば良いが、大形の装置では同じ大きさの圧電素子を四枚使用する場合がある。これらの場合でも通常、駆動電流が定格内であれば同じ仕様のコントローラを使用する場合が多い。この時、素子が小さかったり数が少なかったりするとき、すなわち駆動電流が少ないときと、素子が大きかったり数が多かったりするとき、すなわち駆動電流が多いときとでは、同じインバータ駆動電圧を加えても、途中のリアクタンスやスイッチング素子(FET)の内部抵抗などによる電圧降下で、実際の素子に加わる電圧が異なる。具体的には、素子が多い場合は、電圧が下がり振動発生源を十分に駆動できない。また、素子が多い場合を想定して電圧を設定すると、逆に素子が少ない場合には過剰な電圧が加わり素子が破壊される虞がある。 Furthermore, the vibration generation source may be configured in various sizes depending on the conveyance body or the conveyance object, or the number of vibration generation sources to be used may be increased or decreased. For example, two piezoelectric elements may be used in a small apparatus, but four piezoelectric elements of the same size may be used in a large apparatus. Even in these cases, if the drive current is within the rating, a controller having the same specification is often used. At this time, the same inverter drive voltage may be applied when the element is small or the number is small, that is, when the drive current is small, and when the element is large or the number is large, that is, when the drive current is large. The voltage applied to the actual element varies depending on the voltage drop due to the reactance in the middle or the internal resistance of the switching element (FET). Specifically, when there are many elements, the voltage drops and the vibration source cannot be driven sufficiently. If the voltage is set assuming that there are many elements, on the contrary, if the number of elements is small, an excessive voltage may be applied to destroy the elements.
一方、共振周波数の検出を行う別の方法として、駆動周波数をスイープさせながら振動発生源や搬送体に取り付けた加速度センサで振動加速度を検出する方法が知られているが、この方法では加速度センサを装置に取り付ける必要があるためにコスト高になるという問題点があり、また、加速度センサの検出信号と出力電圧の位相差を用いた検出方法では、センサの取付方向により位相が180度変わったり、位相遅れが生じたりするといった問題点もある。 On the other hand, as another method for detecting the resonance frequency, there is known a method for detecting vibration acceleration with an acceleration sensor attached to a vibration source or a carrier while sweeping the drive frequency. There is a problem that the cost is high because it is necessary to attach to the device, and in the detection method using the phase difference between the detection signal of the acceleration sensor and the output voltage, the phase changes by 180 degrees depending on the mounting direction of the sensor, There is also a problem that phase delay occurs.
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、励振用駆動回路の小型化及び低価格化を図ることができると同時に、振動発生源に安定した駆動電圧を印加することができ、また、駆動周波数や駆動電圧の設定を容易に行うことができる新規の振動式搬送装置を提供することにある。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and the problem is that it is possible to reduce the size and cost of the excitation drive circuit and to apply a stable drive voltage to the vibration source. It is also possible to provide a novel vibratory transfer device that can easily set the drive frequency and the drive voltage.
斯かる実情に鑑み、本発明の振動式搬送装置は、振動発生源に交流電圧を印加することにより搬送体を振動させて搬送物を搬送する振動式搬送装置において、前記振動発生源として、前記搬送体に対して直接若しくは間接的に接続された弾性金属板と、該弾性金属板に対して絶縁層を介して接着され、複数の圧電層と複数の電極層とが交互に積層されてなる積層型の圧電素子とを有する圧電駆動体を用い、所要の直流電圧を出力する直流電源と、前記交流電圧をPWM駆動により交流の出力電圧に変換して前記圧電素子に印加するインバータと、前記インバータと前記圧電素子との間に接続されるインダクタと、前記圧電素子の両端電圧を直接検出する電圧検出手段と、前記インバータの周波数及び電圧値を設定可能で、かつ、前記電圧検出手段の電圧検出値に応じて前記インバータを制御可能に構成されているインバータ制御手段と、を具備することを特徴とする。 In view of such a situation, the vibration transfer device of the present invention is a vibration transfer device that vibrates a transfer body by transferring an AC voltage to a vibration generation source to transfer a transfer object. An elastic metal plate that is directly or indirectly connected to the carrier, and an adhesive layer that is bonded to the elastic metal plate via an insulating layer, and a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers are alternately laminated. Using a piezoelectric driving body having a laminated piezoelectric element, a DC power source that outputs a required DC voltage, an inverter that converts the AC voltage into an AC output voltage by PWM driving, and applies the AC voltage to the piezoelectric element, and An inductor connected between an inverter and the piezoelectric element, voltage detection means for directly detecting a voltage across the piezoelectric element, a frequency and a voltage value of the inverter can be set, and the voltage detection Characterized by comprising the inverter control means which is capable of controlling the inverter in accordance with the voltage detection value of the stage, the.
この発明によれば、振動発生源として弾性金属板と圧電素子とが絶縁層を介して接着されていることにより、励振用駆動回路に絶縁トランスを設ける必要がなくなるとともに、積層型の圧電素子を用いることで昇圧回路が不要となるため、励振用駆動回路の小型化及び低価格化を図ることができる。また、インバータと圧電素子との間にインダクタを接続することで、絶縁トランスを省略してもインバータの高周波ノイズを除去することができるため、圧電素子の動作の安定性を高め、騒音の低減を図ることが可能になる。さらに、圧電素子の両端電圧を直接検出する電圧検出手段を設けることで、圧電素子に印加される実際の電圧検出値を得ることができるため、圧電素子の容量や数等の変化に起因する駆動電流の変動によりインバータのスイッチング素子の内部抵抗やインダクタの等価抵抗等に基づく電圧降下が変化する場合でも、当該変化に影響を受けずに圧電素子の駆動条件(駆動周波数及び駆動電圧)を設定することが可能になる。 According to the present invention, since the elastic metal plate and the piezoelectric element are bonded via the insulating layer as the vibration generation source, it is not necessary to provide an insulating transformer in the driving circuit for excitation, and the laminated piezoelectric element is By using it, a booster circuit becomes unnecessary, so that the drive circuit for excitation can be reduced in size and price. In addition, by connecting an inductor between the inverter and the piezoelectric element, it is possible to remove high-frequency noise from the inverter even if the insulation transformer is omitted. Therefore, the operation stability of the piezoelectric element is improved and noise is reduced. It becomes possible to plan. In addition, by providing voltage detection means that directly detects the voltage across the piezoelectric element, it is possible to obtain the actual voltage detection value applied to the piezoelectric element, so driving due to changes in the capacity, number, etc. of the piezoelectric element Even if the voltage drop based on the internal resistance of the inverter switching element or the equivalent resistance of the inductor changes due to current fluctuation, the drive conditions (drive frequency and drive voltage) of the piezoelectric element are set without being affected by the change. It becomes possible.
なお、インバータ制御手段によるインバータの制御態様としては、インバータの駆動周波数を制御対象とするものでもよく、インバータの駆動電圧値を制御対象とするものでもよく、或いは、これら双方を制御対象とするものであってもよい。また、運転中に常時制御を行うものであってもよく、或いは、通常は制御しないが、必要時にのみ制御するものであってもよい。 In addition, as a control mode of the inverter by the inverter control means, the drive frequency of the inverter may be controlled, the drive voltage value of the inverter may be controlled, or both are controlled. It may be. Further, it may be one that performs constant control during operation, or one that is not normally controlled but that is controlled only when necessary.
本発明において、前記インバータ制御手段は、前記電圧検出手段の電圧検出値を一定に保つように前記インバータを制御することが好ましい。上記インバータ制御手段によって電圧検出値を一定に保つように制御することで、圧電素子に実際に印加される電圧値を確実に設定することが可能になる。具体的には、振動発生源のサイズや数(すなわち駆動電流)が変動しても振動発生源に印加される実際の電圧の変動が抑制されるため、安定した励振動作を実現することができる。特に、インバータのPWM駆動波形から高周波ノイズを除去して振動発生源に印加するためには上記インダクタが必要となるが、このインダクタの内部抵抗によってインバータの出力電圧と実際に振動発生源に印加される両端電圧とが異なることになり、しかも両電圧の差は駆動電流の大小によって変動するため、従来の方法では振動発生源に印加される正確な電圧を把握することができず、振動発生源の動作調整時において、或いは動作安定性等に関して多くのデメリットを生ずる。しかし、本発明では振動発生源の両端電圧を直接検出し電圧検出値をフィードバックしてインバータを制御するため、上記のデメリットを完全に回避できる。 In the present invention, it is preferable that the inverter control unit controls the inverter so as to keep a voltage detection value of the voltage detection unit constant. By controlling so that the voltage detection value is kept constant by the inverter control means, it is possible to reliably set the voltage value actually applied to the piezoelectric element. Specifically, even if the size and number of vibration generation sources (that is, the drive current) fluctuate, fluctuations in the actual voltage applied to the vibration generation sources are suppressed, so that a stable excitation operation can be realized. . In particular, in order to remove the high frequency noise from the PWM drive waveform of the inverter and apply it to the vibration source, the above inductor is required, but the internal resistance of this inductor and the inverter output voltage are actually applied to the vibration source. The difference between the two voltages differs depending on the magnitude of the drive current, so the conventional method cannot grasp the exact voltage applied to the vibration source, and the vibration source Many demerits are caused at the time of the operation adjustment or the operation stability. However, in the present invention, the voltage at both ends of the vibration source is directly detected and the voltage detection value is fed back to control the inverter, so that the above disadvantages can be completely avoided.
本発明において、前記電圧検出手段は、前記振動発生源の両端電圧が一次側に与えられるとともに前記インバータ制御手段に二次側が接続される検出トランスを含むことが好ましい。これによれば、検出トランスを介して振動発生源の両端電圧を検出することにより、当該両端電圧を確実に検出できると同時に、電圧検出のみであれば超小型で高インピーダンスのトランスで足りるため、駆動装置の小型化を妨げず、電力ロスやコストの上昇も抑制できる。しかも、振動発生源にチャージ電荷が発生した場合でも検出トランスの一次側にて放電されるため、チャージ電荷放出用の抵抗(素子両端に接続される高抵抗)が不要になる。さらに、振動発生源が短絡した場合には検出トランスの二次側電圧がゼロになるので、振動発生源の短絡を確実に検出できる。したがって、過電流検出用の抵抗は不要となり、無駄な電力消費を防止できる。なお、電圧検出手段としては、上記の検出トランス以外に、例えばオペアンプを用いた電圧検出回路などを用いることもできる。 In the present invention, it is preferable that the voltage detection means includes a detection transformer in which a voltage at both ends of the vibration generating source is given to the primary side and a secondary side is connected to the inverter control means. According to this, by detecting the voltage at both ends of the vibration generation source via the detection transformer, it is possible to reliably detect the voltage at both ends, and at the same time, if only voltage detection is required, an ultra-small and high impedance transformer is sufficient. Without hindering downsizing of the drive device, power loss and cost increase can be suppressed. Moreover, even when charge charges are generated in the vibration generating source, the charge is discharged on the primary side of the detection transformer, so that no charge charge discharge resistance (high resistance connected to both ends of the element) is required. Further, when the vibration source is short-circuited, the secondary voltage of the detection transformer becomes zero, so that the short-circuit of the vibration source can be reliably detected. Therefore, a resistor for detecting overcurrent is not necessary, and wasteful power consumption can be prevented. As the voltage detection means, in addition to the above detection transformer, for example, a voltage detection circuit using an operational amplifier can be used.
本発明において、前記インバータ制御手段は、電圧指令値を一定に維持しつつ前記出力電圧の周波数を変化させて前記電圧検出値の極小点を検出することにより共振周波数を求める共振点検出手段を含むことが好ましい。当該手段は、例えば、インバータの電圧指令値を一定とし、当該出力電圧の周波数をスイープしながら電圧検出手段の電圧検出値の極小点を求めることによって実現することができる。これは、共振周波数において圧電素子のインピーダンスが極小値を示すからである。また、上記電圧検出値を一定に保つようにインバータ制御手段によって出力電圧を制御しつつ、出力電圧の周波数をスイープしながらインバータ制御手段の電圧指令値の極大点を求めることによって実現することもできる。 In the present invention, the inverter control means includes a resonance point detection means for obtaining a resonance frequency by changing a frequency of the output voltage while detecting a minimum point of the voltage detection value while maintaining a voltage command value constant. It is preferable. The means can be realized, for example, by making the voltage command value of the inverter constant and obtaining the minimum point of the voltage detection value of the voltage detection means while sweeping the frequency of the output voltage. This is because the impedance of the piezoelectric element shows a minimum value at the resonance frequency. Further, it can be realized by obtaining the maximum point of the voltage command value of the inverter control means while sweeping the frequency of the output voltage while controlling the output voltage by the inverter control means so as to keep the voltage detection value constant. .
前記インバータ制御手段は、共振点における前記電圧検出値の電圧降下量若しくは電圧指令値の電圧上昇量の変動比に応じて電圧制御パラメータを補正することで前記圧電素子の加速度の変動を抑制する加速度制御手段を含むことが好ましい。例えば、前記インバータの駆動周波数を予め共振周波数に設定した後の駆動中に前記電圧検出値若しくは電圧指令値、共振周波数、共振点における電圧降下量のうちの少なくとも一つが所定の閾値以上の変動を生じた場合には、前記駆動周波数を新たに検出された共振周波数に設定し直すとともに、前記電圧降下量の変動比に応じて電圧制御パラメータ(電圧指令値、電圧目標値など)を補正することで前記圧電素子の加速度の変動を抑制することができる。これは、振動負荷が変化すると、当該振動負荷の変化量に対して共振周波数及び電圧検出値の共振点近傍における電圧降下量若しくは電圧指令値の電圧上昇量と加速度が相互にほぼ比例して変化するため、共振点における電圧降下量(電圧検出値のフィードバック制御なしの場合)若しくは電圧指令値の電圧上昇量(電圧検出値のフィードバック制御ありの場合)の変動比を補正パラメータとすることで加速度の変動を抑制することができる。 The inverter control means corrects a voltage control parameter according to a fluctuation ratio of a voltage drop amount of the voltage detection value or a voltage increase amount of a voltage command value at a resonance point, thereby suppressing an acceleration fluctuation of the piezoelectric element. Preferably, the control means is included. For example, during driving after the inverter driving frequency is set to the resonance frequency in advance, at least one of the voltage detection value or voltage command value, the resonance frequency, and the voltage drop amount at the resonance point varies more than a predetermined threshold. If it occurs, the drive frequency is reset to the newly detected resonance frequency, and the voltage control parameters (voltage command value, voltage target value, etc.) are corrected according to the fluctuation ratio of the voltage drop amount. Thus, variation in acceleration of the piezoelectric element can be suppressed. This is because when the vibration load changes, the voltage drop amount or the voltage increase amount of the voltage command value near the resonance point of the resonance frequency and voltage detection value and the acceleration change in proportion to the change amount of the vibration load. Therefore, acceleration can be achieved by using the fluctuation ratio of the voltage drop at the resonance point (without feedback control of the voltage detection value) or the voltage increase of the voltage command value (with feedback control of the voltage detection value) as a correction parameter. Fluctuations can be suppressed.
一方、本発明の別の振動式搬送装置としては、振動発生源に交流電圧を印加することにより搬送体を振動させて搬送物を搬送する振動式搬送装置において、前記振動発生源は励振用の圧電素子を含み、所要の直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電圧をPWM駆動により交流の出力電圧に変換して前記圧電素子に印加するインバータと、前記インバータと前記圧電素子との間に接続されるインダクタと、前記圧電素子の両端電圧を直接検出する検出トランスを含む電圧検出手段と、前記インバータの周波数及び電圧値を設定可能で、かつ、前記電圧検出手段の電圧検出値に応じて前記インバータを制御可能に構成されたインバータ制御手段と、を具備することを特徴とする。 On the other hand, as another vibration type conveying apparatus of the present invention, in the vibration type conveying apparatus that conveys the conveyed object by vibrating the conveying body by applying an AC voltage to the vibration generating source, the vibration generating source is used for excitation. A DC power source that includes a piezoelectric element and outputs a required DC voltage; an inverter that converts the DC voltage into an AC output voltage by PWM drive; and that is applied to the piezoelectric element; and between the inverter and the piezoelectric element A voltage detecting means including a connected inductor, a detection transformer for directly detecting a voltage across the piezoelectric element, a frequency and a voltage value of the inverter can be set, and according to a voltage detection value of the voltage detecting means And inverter control means configured to control the inverter.
この場合において、前記インバータ制御手段は、前記電圧検出値を一定に保つように前記インバータを制御することが好ましい。また、前記インバータ制御手段は、電圧指令値を一定に維持しつつ前記出力電圧の周波数を変化させて前記電圧検出値の極小点を検出することにより共振周波数を求める共振点検出手段を含むことが好ましい。或いは、前記インバータ制御手段は、前記電圧検出値を一定に制御しつつ前記出力電圧の周波数を変化させて電圧指令値の極大点を検出することにより共振周波数を求める共振点検出手段を含むことが好ましい。さらに、前記インバータ制御手段は、前記インバータの駆動周波数を予め共振周波数に設定した後の駆動中に前記電圧検出値が所定の閾値以上の変動を生じた場合には、前記電圧検出値から共振周波数を検出して前記駆動周波数を新たに検出された共振周波数に設定し直すとともに、共振点近傍の前記電圧検出値の電圧降下量の変動比に応じて電圧設定値若しくは電圧目標値を補正することで前記圧電素子の加速度の変動を抑制する加速度制御手段を含むことが好ましい。 In this case, it is preferable that the inverter control means controls the inverter so as to keep the detected voltage value constant. The inverter control means may include a resonance point detection means for obtaining a resonance frequency by changing a frequency of the output voltage while detecting a minimum point of the voltage detection value while maintaining a voltage command value constant. preferable. Alternatively, the inverter control means includes resonance point detection means for obtaining a resonance frequency by changing a frequency of the output voltage while detecting the maximum value of the voltage command value while controlling the voltage detection value to be constant. preferable. Further, the inverter control means, when the voltage detection value fluctuates more than a predetermined threshold during driving after setting the drive frequency of the inverter to the resonance frequency in advance, the resonance frequency is calculated from the voltage detection value. And the drive frequency is reset to the newly detected resonance frequency, and the voltage setting value or the voltage target value is corrected according to the fluctuation ratio of the voltage drop amount of the voltage detection value near the resonance point. It is preferable to include acceleration control means for suppressing fluctuations in acceleration of the piezoelectric element.
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図1は本発明に係る振動式搬送装置に用いる励振用駆動回路100の概略構成を示す概略構成図である。励振用駆動回路100は、商用電源1から供給された交流電圧を整流、平滑し、必要に応じて降圧して所要の直流電圧(以下、単に「供給電圧」という。)Voを供給する直流電源120と、この直流電源120から供給される供給電圧Voを所定周波数の交流の出力電圧Vpに変換するインバータ130と、を備えている。インバータ130から供給される出力電圧Vpはインダクタ140、150を介して振動発生源の励振用素子である圧電素子34に印加される。これらのインダクタ140、150はリップル除去用のチョークコイルである。インダクタ140、150はいずれか一方のみを設けてもよいが、圧電素子34の両側に共に設けることによってバランスがとれ、ノイズ対策上より好ましい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of an
また、励振用駆動回路100は、圧電素子34の両端電圧Vsを検出するための電圧検出手段である検出トランス170を有し、この検出トランス170の出力は制御部180に接続されている。制御部180は例えばマイクロプロセッサユニット(MPU)等によって構成され、検出トランス170を介して検出された圧電素子34の両端電圧Vsを示す電圧検出値Vd(Vsと既定の相関がある値であればよく、Vsに等しくても等しくなくてもよい。)に応じて制御信号Sを出力するようになっている。制御信号Sはインバータ130の周波数を決定する周波数指令値及び電圧値を決定する電圧指令値を実質的に含むものであり、インバータ駆動回路であるPWM回路190に入力され、PWM回路190は駆動信号Dを出力して、インバータ130のFET等からなるスイッチング素子131、132、133、134を駆動し、インバータ130においてPWM駆動により上記所定の交流の出力電圧Vpを生成させる。
Further, the
インバータ130の出力電圧Vpは、PWM回路190の駆動信号Dに応じた矩形パルスPの幅(デューティー比)及び周期Tで設定される。例えば、矩形パルスPのデューティー比が駆動信号Dに応じて変わることで電圧実効値が変化するようになっている。また、矩形パルスPの周期t、或いは正負の矩形パルスPの交代周期Tが駆動信号Dに応じて変わることで駆動周波数(f=1/T)が変化するようになっている。上記のデューティー比及び周波数は制御部180の出力する制御信号Sによって制御される。なお、図1の二点鎖線の枠内に示す出力電圧Vpの波形は原理のみを示す模式的なものであり、インバータのスイッチング周期tと出力電圧Vpの周期Tの関係を正確に示すものではない。
The output voltage Vp of the
本実施形態の制御部180は、電圧基準値Vrを設定可能な設定器181と、周波数基準値frを設定可能な設定器182とを有する。そして、インバータ制御手段である制御部180及びPWM回路190では、上記電圧基準値Vr及び周波数基準値frに応じた電圧値及び周波数となるようにインバータ130を制御するようになっている。また、検出トランス170を介して圧電素子34の両端電圧Vsが検出され、電圧検出値Vdに応じて制御部180が圧電素子34の両端電圧Vsを一定に保つように制御することも可能になっている。例えば、圧電素子34の両端電圧Vsを直接検出し、この両端電圧Vsに対応する電圧検出値Vdを一定(例えば上記電圧基準値Vr)に保持するようにインバータ130を制御することで、従来のようにインバータへの電圧指令値の設定のみで動作させていた場合にくらべると、振動発生源のサイズや数の変動(駆動電流の変動)、或いは、振動負荷の変動に影響を受けず、常に安定した駆動電圧を与えることができる。また、振動発生源に正確な駆動電圧を印加することができるので、駆動電圧を最適化することで振動発生効率を高めることができる。
The
本実施形態では、圧電素子34の共振周波数の検出を上記構成のみによって容易に実施できる。例えば、制御部180においてインバータ130で供給される出力電圧Vpを一定としつつ、駆動周波数を徐々に変化(スイープ)させていくように制御信号Sを生成しながら電圧検出値Vdを監視することで、電圧検出値Vdの極小点(振動発生源のインピーダンス極小点)を共振周波数として検出することができる。また、上記のように検出トランス170を介して検出された電圧検出値Vdを一定に保持するフィードバック制御を行いつつ駆動周波数を徐々に変化させていく場合には、制御信号Sの電圧指令値(例えば、電圧基準値Vrと電圧検出値Vdの差Vr−Vd)の極大点を共振周波数として検出することができる。
In the present embodiment, the resonance frequency of the
上記の共振周波数の検出は手動で行うことも可能であるが、例えば、制御部180で実行可能な共振点検出プログラムによって自動的に行うこともできる。すなわち、制御信号Sによって一定周期で駆動周波数を一定のステップ量で変化(スイープ)させていくとともに、電圧検出値Vd(電圧制御なしの場合)若しくは電圧指令値(電圧制御ありの場合)を監視し、電圧検出値Vdの極小点若しくは電圧指令値の極大点に達するまで周波数のスイープを継続していけばよい。この場合、共振点をより正確に検出するために、周波数スイープ時において電圧検出値Vdの極小点若しくは電圧指令値の極大点を越えたときに周波数の変化方向を逆転させるとともにステップ量を低減させてさらに検出を続けるという方法を採ることもできる。なお、上記の共振点検出手段は、上記のように動作するように設定された制御部180(例えば、制御部180に用意された共振点検出プログラムの実行動作)によって実現される。
The resonance frequency can be detected manually. For example, the resonance frequency can be automatically detected by a resonance point detection program that can be executed by the
図2は上記圧電素子34として圧電素子を備えた振動発生源3を備えた振動式搬送装置10の概略側面図、図2(A)は本実施形態の概略正面図、図2(B)は本実施形態の搬送体を省略して示す概略平面図である。
FIG. 2 is a schematic side view of the vibration
本実施形態の振動式搬送装置10は、基台1と、この基台1の上方に配置された搬送体2と、搬送体2を振動させるための振動発生源3と、振動発生源3の一側部分(下端)に接続された連結部材4と、搬送体2と連結部材4との間に連結された第1の弾性支持体5と、振動発生源3の他側部分(上端)に接続され、自由端として構成された慣性体6と、連結部材4と基台1との間に連結された第2の弾性支持体7とを有している。基台1は、設置面上に配置される支持板1Aと、この支持板1A上に固定され、上記第2の弾性支持体7がボルト等を介して固定された取付板1Bとを備えている。
The vibration
搬送体2は、上記第1の弾性支持体5にボルト等を介して固定された取付材2Aと、この取付材2A上に固定された搬送材2Bとを有し、搬送材2Bには図示しない溝状のトラックが形成されている。このトラックは図2の左右方向に伸び、図示しない部品を保持しつつ、後述する振動発生源3から伝達される振動S3により、部品を矢印Fの示す方向(以下、単に「搬送方向F」という。)へ搬送可能となるように構成されている。
The
振動発生源3は圧電型振動源で構成される。この圧電型振動源は、具体的には、弾性板の表裏両面にそれぞれ圧電体層を形成し、これらの圧電体層に所定の電圧を印加することによって屈曲するように構成したバイモルフ型構造を有している。もちろん、弾性板の片面にのみ圧電体層を形成したユニモルフ型構造であっても構わない。これらの圧電型振動源は、外部から所定周波数の交流電力を供給することによって当該周波数に対応する周波数で撓み振動する。
The
振動発生源3の具体例は図8に示される。図8に示すように、金属シム板等の弾性金属板31の表面には合成樹脂層、樹脂フィルム基板、ガラスエポキシ基板などで構成される絶縁層32が接着等により固定され、この絶縁層32上には導電層33が形成されている。導電層33上には圧電素子34が積層される。絶縁層32及び導電層33は、絶縁基板と、この上に被着された配線パターンとによって構成されることが好ましく、例えば、ポリイミド樹脂等で構成されるフレキシブル配線基板、ガラスエポキシ等で構成される硬質配線基板、セラミックス基板等によって構成できる。圧電素子34は半田や導電性ペースト等の導電接着剤によって導電層33上に接着固定される。
A specific example of the
圧電素子34は、図9に示すように、複数の圧電体層341と、複数の内部電極342、343若しくは外部電極344、345とが交互に積層されてなる積層構造を有する。外部電極344は内部電極342と側面部分にて導電接続され、上記導電層33に導電接続されている。外部電極345は内部電極343と側面部分にて導電接続され、圧電素子34の外表面に露出している。
As shown in FIG. 9, the
上記のように構成された振動発生源3は、上記導電層32から一方の配線を引き出し、上記外部電極345から他方の配線を引き出して、上記の励振用駆動回路100に接続される。この振動発生源3では、弾性金属板31と圧電素子34とが絶縁層32によって絶縁されているので、弾性金属板31に駆動電位が供給されないことから、励振用駆動回路100側に大型の絶縁トランスを設ける必要がなくなるため、駆動装置の小型化及び低価格化を図ることができる。また、弾性金属板31が絶縁されていない場合には振動式搬送装置10の安全上、外部電極344を接地電位とする必要があるため、外部電極345に対して厳重な絶縁カバー等を設ける必要があるが、本実施形態の場合には絶縁資材を簡略化することができる。
The
さらに、本実施形態の振動発生源3では、圧電素子34が積層型素子構造(積層構造で各圧電層が並列に駆動される構造)を有することにより、駆動電圧を低くすることができる。例えば、従来構造の圧電素子では200〜400V程度の高い駆動電圧が必要であったが、本実施形態では3〜5層の圧電層を並列に駆動することで30〜80V程度の低い駆動電圧で駆動することが可能である。したがって、励振用駆動回路100において昇圧回路が不要となり、また、昇圧回路がないことによって駆動装置の小型化や低価格化が可能になる。
Furthermore, in the
本実施形態では、搬送方向Fに離間した前後2箇所において、上記搬送体3、連結部材4、第1の弾性支持体5、及び、第2の弾性支持体7の組がそれぞれ設けられている。すなわち、搬送体2が前後2箇所で第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7により弾性支持されている。また、前方に配置された振動発生源3は前方の第1の弾性支持体5の後方に配置され、さらに後方に配置された慣性体6に接続され、後方に配置された振動発生源3は後方の第1の弾性支持体5の前方に配置され、さらに前方に配置された慣性体6に接続されている。すなわち、慣性体6は2組の振動発生源3の前後方向の中間に配置され、2組の振動発生源3は共通の慣性体6に共に接続されている。
In the present embodiment, sets of the
慣性体6は、振動発生源3に接続された慣性板6Aと、この慣性板6Aに固定された慣性ブロック6Bとを有し、上部に配置された慣性板6Aの下方に慣性ブロック6Bが吊り下げ固定された構造となっている。慣性板6Aは搬送体2の直下に隣接して配置され、慣性ブロック6Bは振動発生源3と同じ高さ範囲に重なるように、慣性板6Aから下方に突出するように設けられている。
The inertial body 6 has an
第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7は共に板状の弾性体、例えば板ばねである。第1の弾性支持体5と第2の弾性支持体7は側方から見て共通の直線に沿って配置されている。これによって、両弾性支持体は基台1と搬送体2の間にて単一の板状の弾性体で構成される場合と近似した支持特性を有するものとされる。すなわち、第1の弾性支持体5と第2の弾性支持体7とが前後方向にずれた位置に設けられていると、振動発生源3の姿勢と直交する本来の振動方向S1とは異なる方向の不要な振動モード(例えば、上下方向に揺動する振動モード)が生成され、搬送体2の搬送特性に悪影響を与える虞があるのに対して、上記のように両弾性支持体5,7が共通の直線に沿って配置されることで、不要な振動モードの生成を抑制することができる。
Both the first
また、上記の共通の直線は、振動発生源3の延長方向と平行になるように構成されている。これによって、振動発生源3の延長方向(板面に沿った方向)と直交する方向の撓み振動を効率的に第1弾性支持体5に伝達することができ、効率的に搬送体2を振動させることができる。本実施形態では、搬送体2に対して図示矢印で示すように水平方向に対してやや上下方向に傾斜した方向の振動S3を与えることによって、搬送体2上の図示しない部品を搬送方向Fに沿って搬送できるように構成されている。したがって、このような振動を効率的に伝達するために、振動発生源3を垂直方向に対して前後方向にやや傾斜した方向に延在する姿勢とし、しかも、第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7をこれと平行な方向に延在する姿勢としている。
The common straight line is configured to be parallel to the extending direction of the
さらに、振動発生源3の下端が連結部材4に連結され、振動発生源3の上端が慣性体6に連結されていることにより、慣性体6を容易に搬送体2に近づけることができるため、相互に逆相で振動する搬送体2と慣性体6とによって生ずるモーメントを低減することができ、不要な振動モードを抑制できる。また、慣性体6(特に慣性ブロック6B)は振動発生源3の高さ範囲に重なるように配置されているので、慣性体6の質量及び体積を大きくしても、装置10を高さ方向にコンパクトに構成することができる。
Furthermore, since the lower end of the
以上のように構成された装置10は、振動発生源3に交流電力が与えられて撓み振動が発生すると、振動発生源3の両側で、連結部材4と慣性体6が振動発生源3の撓み方向に振動する。連結部材4の振動S1は基台1を支点として第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7によって増幅され、搬送体2に振動S3を生成させる。また、自由端である慣性体6には、連結部材4と逆相の振動位相を有する振動S2が生成される。
In the
本実施形態では、従来の振動式搬送装置とは異なり、振動発生源3の一端が第1の弾性支持体5と第2の弾性支持体7に共に接続されているとともに、振動発生源3の他端が慣性体6に接続されていることにより、振動発生源3の一端が直接かつ無制限に搬送体2を振動させる構造とはなっていないことで、搬送体2の振動S3が搬送方向Fに沿って正確に発生し、上下方向のあばれも低減されることが確認された。すなわち、高速ビデオ等で撮影すると、従来の搬送装置では、部品の搬送姿勢が左右に乱れたり、上下に暴れたり、或いは、部品が時折逆方向に移動したりするなどといったことが発生していたが、本実施形態では部品が規則的に搬送方向に向けて正確に送られるようになっていた。そして、これによって振動エネルギーが部品に対して効率的に伝達され、部品の搬送方向Fも揃いやすくなるとともに、搬送速度が向上することが認められた。
In the present embodiment, unlike the conventional vibration transfer device, one end of the
また、基台2が第2の弾性支持体7を介して連結部材4に接続され、この連結部材4には、第1の弾性支持体5を介して搬送体2が接続されるとともに、振動発生源3を介して慣性体6が接続されているので、相互に逆相で振動する振動要素が共に接続されていることとなるため、結果的に、基台2へ伝達される振動エネルギーを低減することができ、したがって、隣接装置に対する振動による悪影響を低減するとともに騒音を抑制できる。
Further, the
また、本実施形態では、振動発生源3、第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7として特殊で複雑な形状や構造を有するものを用いる必要がないので、製造コストを低減することができる。図示例の場合、振動発生源3、第1の弾性支持体5及び第2の弾性支持体7はいずれも板状体で構成されている。なお、上記第1の弾性支持体5と第2の弾性支持体7を一体の弾性部材で構成してもよい。
Further, in the present embodiment, it is not necessary to use a
以上説明した励振用駆動回路100と、これによって駆動される振動発生源3を搭載した振動式搬送装置10について、実際に、直流電源の供給電圧Vo、上記電圧検出値Vd、及び、加速度センサで検出した圧電素子の加速度Aの周波数依存性を調べた結果を図4及び図5に示す。図4は電圧検出値Vdによるフィードバック制御をしない場合(すなわち、インバータ130による出力電圧Vpを一定とした場合)のデータであり、供給電圧Voを直流68V、インバータ130で35%程度のパルス幅変調を施して出力電圧Vpを20Vで一定とした状態で測定した。また、図5は同じ供給電圧Voの元で電圧検出値Vdを一定に保つようにフィードバック制御をした場合のデータである。
With respect to the
図4に示すように、フィードバック制御をしない場合において駆動周波数を変化させていくと、共振周波数f1において電圧検出値Vdは極小値を示すとともに、加速度Aは極大値を示す。これは共振周波数f1においては圧電素子34のインピーダンスが低下するために、供給電圧Vo(及び出力電圧Vp)が一定であっても、実際に振動発生源3に印加される駆動電圧は低下していることを意味する。この図4のデータを見れば、加速度センサを用いなくても、電圧検出値Vsの極小点を見ることによって共振周波数f1を検出できることがわかる。
As shown in FIG. 4, when the drive frequency is changed without feedback control, the voltage detection value Vd exhibits a minimum value and the acceleration A exhibits a maximum value at the resonance frequency f1. This is because the impedance of the
一方、図5に示すようにフィードバック制御を実施すると、電圧検出値Vdが一定に保持されるため、共振周波数f1でも電圧検出値Vdに極小点は現れないが、電圧検出値Vdを一定に保持するために制御信号Sの電圧指令値(Vr−Vd、若しくはこれと比例関係にある値)は極大値を示すことから、上記と同様に加速度センサを用いなくても電圧指令値を監視することで共振周波数f1を知ることができる。また、この場合には、共振周波数f1の近傍においても電圧検出値Vdが低下せず一定であるため、図示のように素子の加速度Aは図4に示す場合よりも大幅に増大している。これは、圧電素子34を従来よりも効率的に、或いは、素子に印加されるべき設定電圧で期待される通りに駆動することができることを意味する。
On the other hand, when feedback control is performed as shown in FIG. 5, since the voltage detection value Vd is held constant, there is no minimum point in the voltage detection value Vd even at the resonance frequency f1, but the voltage detection value Vd is held constant. Therefore, since the voltage command value (Vr−Vd or a value proportional to this) of the control signal S shows a maximum value, the voltage command value can be monitored without using an acceleration sensor as described above. Thus, the resonance frequency f1 can be known. In this case, since the voltage detection value Vd does not decrease and is constant even in the vicinity of the resonance frequency f1, the acceleration A of the element is significantly increased as compared with the case shown in FIG. This means that the
すなわち、従来構成ではインバータの出力電圧Vpを適宜に設定しても、インバータのスイッチング素子の内部抵抗やインダクタンスの抵抗成分によって電圧降下が発生するため、実際の両端電圧Vsは出力電圧Vpよりも低下してしまい、また、上記電圧降下は抵抗値と振動発生源の駆動電流によって定まるため、抵抗値及び電流値を把握しなければ両端電圧Vsを意図的に制御することができない。また、共振周波数f1の近傍では圧電素子34のインピーダンス特性も変化しやすく、出力電圧Vpと両端電圧Vsの関係も一定になりにくいため、両端電圧Vsを最適化することがきわめて難しい。これに対して本実施形態では両端電圧Vsを直接に検出し、これに応じて出力電圧Vpを制御しているため、電圧の最適化が容易である。また、上述のように異なるスペックの搬送装置に同じ励振用駆動回路を用いる場合でも両端電圧Vsが把握できるので容易に対応することができる。
That is, in the conventional configuration, even if the output voltage Vp of the inverter is set appropriately, a voltage drop occurs due to the internal resistance of the switching element of the inverter and the resistance component of the inductance. Therefore, the actual both-end voltage Vs is lower than the output voltage Vp. In addition, since the voltage drop is determined by the resistance value and the drive current of the vibration source, the voltage Vs between both ends cannot be intentionally controlled unless the resistance value and the current value are grasped. Further, in the vicinity of the resonance frequency f1, the impedance characteristic of the
また、振動発生源3に接続される振動負荷が変化して共振周波数が変化した場合には、圧電素子34のインピーダンスが変化するため、従来方法では電圧指令値が一定でも両端電圧Vsが変化していることが考えられるが、両端電圧Vsを検出してフィードバック制御している本実施形態ではこのようなことはない。さらに、従来方法では素子のばらつき(インピーダンスのばらつきや共振特性のばらつき)により搬送特性の再現性を得ることも難しいが、本実施形態では、圧電素子34に実際に印加される電圧が確実に制御され素子特性にも影響を受けないので、所望の素子加速度を両端電圧Vsに応じて比較的安定した状態で得ることができ、搬送特性の再現性も獲得できる。
Further, when the vibration load connected to the
図6には本実施形態のインバータ130、インダクタ140、150及び圧電素子34で構成される回路部分の等価回路を示す。そして、この等価回路で、駆動電流I、素子の両端電圧Vs、位相差ΔPをそれぞれ算出した。その結果を図7に示す。ここで、インバータ130の出力電圧Vpを交流20Vで一定とした。また、インダクタ140を等価インダクタンスL1及び等価直流抵抗R1で表し、インダクタ150を等価インダクタンスL2及び等価直流抵抗R2で表し、さらに、圧電素子34を等価インダクタンスLx、等価キャパシタンスCx及び等価抵抗Rxの直列接続部(共振子成分)と、等価キャパシタンスCy(制動容量成分)との並列回路で示してある。そして、上記等価回路によって共振点近傍の電気特性を調べた。ここで、圧電素子34の回路定数は実際に振動発生源として組み込まれた圧電素子についてインピーダンスアナライザにより計測した値を元に算出した。このとき、振動発生源3の共振周波数はfr=π/2・(Lx×Cy)1/2=342.3Hzであった。
FIG. 6 shows an equivalent circuit of a circuit portion composed of the
上記従来の共振周波数の測定方法では出力電圧Vpと電流Iとから位相差ΔPを求め、これによって印加電力W=Vp×I×cosΔPを求めることで印加電力の極大点を共振周波数として検出しているが、本実施形態では素子の両端電圧Vsを直接検出している。そして、図7に示すように、素子電圧Vsの極小点は共振周波数f1に一致している。 In the above conventional resonance frequency measuring method, the phase difference ΔP is obtained from the output voltage Vp and the current I, and the applied power W = Vp × I × cosΔP is obtained thereby to detect the maximum point of the applied power as the resonance frequency. However, in this embodiment, the voltage Vs across the element is directly detected. As shown in FIG. 7, the minimum point of the element voltage Vs matches the resonance frequency f1.
従来の方法では駆動電流Iを検出し、出力電圧Vpとの位相差ΔPを求めて印加電力を算出する必要があるが、駆動電流Iの検出時にはノイズが重畳することから、正確な電流I及び位相差ΔPを求めることは実際には難しい。特に、圧電素子を用いた振動発生源3では電流Iは通常数mA程度ときわめて小さいため、なおさら正確な印加電力を求めることはできない。これに対して本実施形態では、圧電素子34の両端電圧を直接検出しているために電流Iも位相差ΔPも求める必要がなく、直接に検出される両端電圧の電圧検出値Vdのみで容易かつ正確に共振周波数f1を求めることができる。
In the conventional method, it is necessary to detect the driving current I and calculate the applied power by obtaining the phase difference ΔP from the output voltage Vp. However, since noise is superimposed when the driving current I is detected, the accurate current I and It is actually difficult to obtain the phase difference ΔP. In particular, in the
さらに、本実施形態では、検出トランス170を用いた電圧検出手段を設けているが、電圧のみを検出すればよいことから超小型のトランスで足りるため、励振用駆動回路の小型化、低コスト化を図ることができる。また、圧電素子34にチャージ電荷が発生した場合でも、この電荷は検出トランス170の一次側171にて放電されるため、チャージ電荷放出用の抵抗(圧電素子の両端に接続される高抵抗)が不要になる。さらに、圧電素子34が短絡した場合には検出トランス170の二次側172の電圧がゼロになるので、当該電気的短絡を確実に検出できる。したがって、過電流検出用の抵抗は不要となり、無駄な電力消費を防止できる。
Furthermore, in the present embodiment, the voltage detection means using the
なお、駆動周波数の設定は、基本的には振動式搬送装置10の構造によって決定される共振周波数に合わせた振動数で圧電素子34を駆動するために行われる。したがって、搬送装置の構造が変化すれば共振周波数も大きく変化するし、また、搬送装置は同一構造でも搬送体の振動負荷(搬送物の重量)が変化すれば共振周波数は微量ではあるが変化する。図10は振動負荷を(1)0g、(2)25g、(3)35g、(4)95g、(5)160g、(6)250gと変化させたときの電圧検出値Vd及び加速度Aの周波数依存性を示すグラフである。ここで、通常は振動負荷が搬送物であるから搬送体には固定されていないが、本実験では搬送体に上記重量の錘を固定した状態とした。この場合には搬送物の重量増ではなく、搬送体の重量増に対応する振動負荷の増加に相当する。ただし、搬送物の重量増の場合でも共振周波数や加速度の変化がより少なくなるものの、定性的には同様の影響をもたらすものと思われる。
The drive frequency is basically set to drive the
図10に示すように、図示実線で示す加速度Aの極大点及び図示破線で示す電圧検出値Vdの極小点の周波数、すなわち共振周波数は、振動負荷が増えるに従って低下している。これは、振動する搬送体の重量が増加するためであるが、実際の搬送装置では逆に共振周波数が増加する場合もある。実際の装置では圧電素子に接続されるバネ部材の弾性定数、カウンターウエイト、全体の機械的構造等により影響を受けるので、複雑な振動系が構成されているからである。また、実際の振動式搬送装置では振動エネルギーの一部が搬送物の搬送エネルギーとして使われるので、図示例よりも加速度が低下し、結果としてQ値が減少する。これは、図6に示す等価回路において抵抗Rxが増加することに相当する。 As shown in FIG. 10, the frequency of the maximum point of acceleration A indicated by the solid line and the minimum point of voltage detection value Vd indicated by the broken line, that is, the resonance frequency, decreases as the vibration load increases. This is because the weight of the vibrating transport body increases, but in the actual transport apparatus, the resonance frequency may increase. This is because an actual apparatus is influenced by the elastic constant of the spring member connected to the piezoelectric element, the counterweight, the overall mechanical structure, and the like, so that a complicated vibration system is configured. Further, in the actual vibratory transfer device, a part of the vibration energy is used as the transfer energy of the transfer object, so that the acceleration is lower than in the illustrated example, and the Q value is consequently reduced. This corresponds to an increase in the resistance Rx in the equivalent circuit shown in FIG.
また、図10から、加速度Aのピーク高さと、電圧検出値Vdの極小点における電圧降下量とがほぼ比例することがわかる。これは、圧電素子の共振点近傍の特性が電気的なLCR共振回路と等価であり、機械的な振幅と電気的なインピーダンスの周波数特性が相似するからである。したがって、電気検出値Vdの周波数特性として得られる電気的インピーダンス特性を元に加速度を求めることが可能であり、したがって、従来のように加速度センサを用いなくても加速度の制御を行うことができることがわかる。 Further, FIG. 10 shows that the peak height of the acceleration A and the voltage drop amount at the minimum point of the voltage detection value Vd are substantially proportional. This is because the characteristics in the vicinity of the resonance point of the piezoelectric element are equivalent to the electrical LCR resonance circuit, and the frequency characteristics of the mechanical amplitude and the electrical impedance are similar. Therefore, it is possible to obtain acceleration based on the electrical impedance characteristic obtained as the frequency characteristic of the electrical detection value Vd, and therefore it is possible to control the acceleration without using an acceleration sensor as in the prior art. Recognize.
次に、図11には、上記の振動負荷を0としたときの条件と同じ条件で、駆動周波数を60Hz〜400Hzまでスイープさせたときの電圧検出値Vd(図示実線)及び加速度A(図示破線)を測定した結果を示す。図示実線で示す電圧検出値Vdは、駆動周波数を増加させていくと徐々に低下していき、やがて共振点近傍領域Kで大きく低下した後に上昇するが、共振点近傍領域Kを通過した後には、再び徐々に低下していく。このように共振点近傍領域Kを除く領域において駆動周波数が上昇していくと電圧検出値Vdが徐々に低下していくのは、図6に示す等価回路において制動容量Cyが存在するからである。すなわち、圧電素子は図6に示すLx、Cx、Rxで表されるLCR共振回路で基本的に表すことができるが、このLCR共振回路と並列に接続された振動に寄与しない容量成分である制動容量Cyが存在するために、上記の共振点近傍領域K以外の領域のインピーダンス特性が決定される。 Next, FIG. 11 shows a voltage detection value Vd (shown by a solid line) and an acceleration A (shown by a broken line) when the drive frequency is swept from 60 Hz to 400 Hz under the same conditions as those when the vibration load is set to zero. ) Is measured. The voltage detection value Vd indicated by the solid line in the figure gradually decreases as the drive frequency is increased, and eventually increases after greatly decreasing in the resonance point vicinity region K, but after passing through the resonance point vicinity region K, It will gradually fall again. The reason why the voltage detection value Vd gradually decreases as the drive frequency increases in the region excluding the resonance point vicinity region K is that the braking capacity Cy exists in the equivalent circuit shown in FIG. . That is, the piezoelectric element can be basically represented by an LCR resonance circuit represented by Lx, Cx, and Rx shown in FIG. 6, but is a braking component that is a capacitive component that does not contribute to vibration connected in parallel with the LCR resonance circuit. Since the capacitance Cy exists, the impedance characteristic of the region other than the resonance point vicinity region K is determined.
一方、上記の制動容量Cyを擬似的に3倍に増加したときの電圧検出値Vdを図示一点鎖線で示し、同じときの加速度Aを図示二点鎖線で示す。このときには、共振点近傍領域K以外の電圧検出値Vdの値は、駆動周波数が増加するに従って徐々に増加していく。これは、インダクタ140、150と制動容量Cyとが共振回路を構成したためであり、この場合には1.3kHz付近に当該共振回路の共振点が存在することによって当該共振点に向けて電圧検出値Vdが徐々に増大しているのである。
On the other hand, the voltage detection value Vd when the braking capacity Cy is increased in a pseudo three-fold manner is indicated by a one-dot chain line in the figure, and the acceleration A at the same time is indicated by a two-dot chain line in the figure. At this time, the voltage detection value Vd outside the resonance point vicinity region K gradually increases as the drive frequency increases. This is because the
本実施形態の場合には、圧電素子34として並列に接続された複数の素子部が積層されてなる積層構造を有するものを用いているため、各層の制動容量Cyが加算されることで全体の制動容量が大きくなる。したがって、単層の圧電素子を用いる場合に比べて制動容量の影響を大きく受けるものと考えられる。
In the case of the present embodiment, since the
上記の各点を考慮して、以下の手順を実施することで、振動負荷が多少変化した場合でも圧電素子の加速度Aをほぼ一定に維持することができる。まず、駆動周波数をスイープさせて図11に示す共振点近傍領域K(上記のLx、Cx、RxからなるLCR共振回路に相当する効果が主体的になる領域)を除く領域の両端電圧Vsを測定し、電圧検出値Vdのプロファイルから駆動周波数に対する電圧検出値のベース曲線B(図示点線)を取得する。このベース曲線Bは、共振点近傍のプロファイル例を示す図12にも点線で示してある。ベース曲線Bは図11に示すように全体として右下がりや右上がりの曲線となるなど、制動容量Cy及びインダクタ140,150のL1、L2、R1,R2の値によって変化するので、これらの影響を排除し、共振点近傍の電圧検出値Vdの降下特性(上記のLx、Cx、RxからなるLCR共振回路によるインピーダンス変化によるもの)を正確に得るためのものである。したがって、このベース曲線Bは、同じ構成を有する振動式搬送装置であれば同じものを用いることができ、また、上記Cy、L1、L2、R1、R2などのパラメータから求めることも可能である。また、パラメータ的に必要精度上ベース曲線Bを勘案する必要性が少ない場合(ベース曲線が水平線に近い場合など)には当該ベース曲線Bの算出及びその利用を省略してもよい。
Taking the above points into consideration, the following procedure is performed, so that the acceleration A of the piezoelectric element can be maintained substantially constant even when the vibration load changes somewhat. First, the drive frequency is swept to measure the both-ends voltage Vs in a region excluding the region K near the resonance point shown in FIG. 11 (region where the effect corresponding to the LCR resonance circuit composed of Lx, Cx, and Rx is dominant). Then, the base curve B (shown dotted line) of the voltage detection value with respect to the drive frequency is acquired from the profile of the voltage detection value Vd. This base curve B is also indicated by a dotted line in FIG. 12 showing an example of the profile near the resonance point. As shown in FIG. 11, the base curve B changes to the right or the right as a whole, and changes depending on the braking capacity Cy and the values of L1, L2, R1, and R2 of the
次に、図12に実線で示す電圧検出値Vd1の共振点近傍のプロファイルを所定範囲内の駆動周波数域におけるスイープ動作にて求め、共振点における電圧検出値Vd1(すなわち、共振周波数f1を示す図示一点鎖線で示す垂線と、電圧検出値の周波数特性を示す特性曲線(Vd1)との交点の電圧値)とベース曲線B上の電圧値との差を電圧降下量ΔVd1として算出する。そして、この共振周波数f1と一致する駆動周波数で運転する。 Next, a profile in the vicinity of the resonance point of the voltage detection value Vd1 indicated by a solid line in FIG. 12 is obtained by a sweep operation in a drive frequency region within a predetermined range, and the voltage detection value Vd1 at the resonance point (that is, an illustration showing the resonance frequency f1). The difference between the voltage value on the base curve B and the voltage value at the intersection of the perpendicular line indicated by the alternate long and short dash line and the characteristic curve (Vd1) indicating the frequency characteristic of the voltage detection value is calculated as the voltage drop amount ΔVd1. And it drive | operates with the drive frequency which corresponds to this resonance frequency f1.
このとき、最初に検出した共振周波数f1でそのまま継続して駆動するようにしてもよいが、共振周波数の変化を想定して、以下のように駆動周波数の微修正を行うようにすることもできる。すなわち、駆動周波数を僅かに前後にスイープさせて電圧検出値Vd1の極小点を検出しながら、常時当該極小点にて得られる共振周波数に駆動周波数が一致するように制御してもよい。このとき、駆動周波数のスイープ動作を常時行い、常に駆動周波数が実際の共振周波数(電圧検出値Vdの極小点)を中心にして前後に変化するようにしてもよく、また、駆動周波数のスイープ動作を間欠的に(定期的若しくは不定期に)実施し、スイープ動作の結果得られた共振周波数に駆動周波数が一致するようにその都度制御してもよい。このようにすると、実際の共振周波数が多少変動しても、常に共振周波数にほぼ一致した駆動周波数で効率的に運転することができる。 At this time, the driving may be continued as it is at the resonance frequency f1 detected first, but it is also possible to make a fine correction of the driving frequency as follows, assuming a change in the resonance frequency. . In other words, the drive frequency may be swept back and forth slightly to detect the minimum point of the voltage detection value Vd1, and control may be performed so that the drive frequency always matches the resonance frequency obtained at the minimum point. At this time, the drive frequency sweep operation is always performed, and the drive frequency may always change back and forth around the actual resonance frequency (minimum point of the voltage detection value Vd), or the drive frequency sweep operation. May be performed intermittently (regularly or irregularly), and may be controlled each time so that the drive frequency matches the resonance frequency obtained as a result of the sweep operation. In this way, even if the actual resonance frequency fluctuates somewhat, it is possible to efficiently operate at a drive frequency that almost always matches the resonance frequency.
次に、駆動周波数が基準周波数f1に設定された状態で動作している状態において、電圧検出値Vdを監視しながら、この電圧検出値Vdの変動量が或る閾値を越えたときには、振動負荷が変化したものと判断して、以下の補正動作を実行する。ここで、図12には、破線で振動負荷を変化させた後の電圧検出値(特性曲線)Vd2を示し、二点鎖線で補正後の電圧検出値(特性曲線)Vd3を示してある。ただし、図12に示す例の場合には、上記図10に示す場合と異なり、振動負荷を搬送体に固定せず、粒子状の錘を搬送体上に固定しない状態で搭載したため、共振周波数f1の変化はきわめて小さくなっている。なお、上記のように共振周波数の探索による駆動周波数の微修正を行っている場合には、当該微修正を行うためのスイープ動作にて検出された共振周波数f1の変動量が或る閾値を越えたときに以下の補正動作を実行するようにしてもよく、或いは、同様にして算出された上記電圧降下量ΔVd1の変動量が或る閾値を越えたときに以下の補正動作を実行するようにしてもよい。 Next, in the state where the drive frequency is set to the reference frequency f1, while monitoring the voltage detection value Vd, when the fluctuation amount of the voltage detection value Vd exceeds a certain threshold value, the vibration load It is determined that has changed, and the following correction operation is executed. Here, in FIG. 12, the voltage detection value (characteristic curve) Vd2 after changing the vibration load is indicated by a broken line, and the corrected voltage detection value (characteristic curve) Vd3 is indicated by a two-dot chain line. However, in the case of the example shown in FIG. 12, unlike the case shown in FIG. 10, the vibration load is not fixed to the carrier, and the particulate weight is not fixed on the carrier. The change in is very small. When the drive frequency is finely corrected by searching for the resonance frequency as described above, the fluctuation amount of the resonance frequency f1 detected in the sweep operation for performing the fine correction exceeds a certain threshold value. The following correction operation may be executed at the same time, or the following correction operation may be executed when the fluctuation amount of the voltage drop amount ΔVd1 calculated in the same manner exceeds a certain threshold value. May be.
本実施形態の補正動作においては、まず、駆動周波数を所定範囲でスイープさせ(上述のように駆動周波数の微修正をしている場合には、そのスイープ範囲を必要に応じてさらに広げてスイープを実施し)、変化後の共振周波数f2を検出して、当該共振周波数f2に一致するように駆動周波数を補正する。この場合、電圧検出値Vd1、共振周波数f1又は電圧降下量ΔVd1の変動量の比較対象である上記の閾値は加速度Aの変動を抑制したい程度に応じて設定される。したがって、単に駆動周波数を新たに判明した共振周波数f2に補正しただけでは、図13に示すように変化前の加速度A1(図示実線)に比べて変化後の加速度A2(図示破線)が許容できない程度に変化し、加速度を変化前と同様に維持することはできない。しかしながら、上述のように、上記電圧降下量は圧電素子のインピーダンス変化と相関を有し、図10に示すように加速度Aと比例関係にあることがわかっている。そこで、上記の駆動周波数の補正後において上記電圧降下量ΔVd2を算出し、変化前の電圧降下量ΔVd1と、変化後の電圧降下量ΔVd2の変動比R=ΔVd2/ΔVd1を補正パラメータとする。そして、振動負荷の変化後においても加速度がこの補正パラメータである変動比のR倍となるように補正することで、振動負荷の変動前後において加速度の変化がなくなることになる。 In the correction operation of the present embodiment, first, the drive frequency is swept within a predetermined range (in the case where the drive frequency is finely corrected as described above, the sweep range is further expanded as necessary. And the detected resonance frequency f2 is detected, and the drive frequency is corrected so as to match the resonance frequency f2. In this case, the above threshold value, which is a comparison target of the fluctuation amount of the voltage detection value Vd1, the resonance frequency f1, or the voltage drop amount ΔVd1, is set according to the degree to which the fluctuation of the acceleration A is desired to be suppressed. Therefore, by simply correcting the drive frequency to the newly found resonance frequency f2, as shown in FIG. 13, the post-change acceleration A2 (shown broken line) is unacceptable compared to the pre-change acceleration A1 (shown solid line). The acceleration cannot be maintained as before the change. However, as described above, it is known that the voltage drop amount has a correlation with the impedance change of the piezoelectric element and is proportional to the acceleration A as shown in FIG. Therefore, the voltage drop amount ΔVd2 is calculated after the correction of the driving frequency, and the fluctuation ratio R = ΔVd2 / ΔVd1 between the voltage drop amount ΔVd1 before the change and the voltage drop amount ΔVd2 after the change is used as the correction parameter. Then, even after the vibration load is changed, the acceleration is changed before and after the fluctuation of the vibration load by correcting the acceleration so that the acceleration is R times the fluctuation ratio that is the correction parameter.
実際には加速度の変動が抑制されれば足りるので、振動負荷の変化後の加速度を補正する方法の一例としては、電圧指令値を比Rで乗算した値を新たな電圧指令値に設定する方法が考えられる。図12に示す補正後の電圧検出値Vd3は、インバータ制御手段である制御部180から出力される制御信号Sに含まれる電圧指令値を上記比Rで乗算して補正し新たな電圧指令値とした場合に検出された実験値である。この場合には、図13に示すように、変化前の加速度A1に対して振動負荷が変化した後の加速度A2が大きく低下しているのに比べると、補正後の図示二点鎖線で示す加速度A3は変化前の加速度にほとんど近似した値となっている。
In practice, since it is only necessary to suppress fluctuations in acceleration, as an example of a method for correcting the acceleration after the change of the vibration load, a method in which a value obtained by multiplying the voltage command value by the ratio R is set as a new voltage command value. Can be considered. The corrected voltage detection value Vd3 shown in FIG. 12 is corrected by multiplying the voltage command value included in the control signal S output from the
図12及び図13に示す補正後のデータは、制御部180から出力される電圧指令値を上記比Rで補正した場合の実験結果であり、加速度A1とA3は厳密には一致していないが、加速度の変動を十分に抑制することができる。ここで、図12及び図13に示す各データの詳細は以下のようになっている。変化前においては、制御部180からPWM回路190に3Vの電圧指令値(5Vが100%)を与え、このときの共振周波数及び駆動周波数f1が268.5Hz、この周波数における電圧検出値Vd1のベース曲線の共振点における値が23.6V、加速度Aが22.4Gであった。また、このときの電圧降下量ΔVs1は2.3Vであった。その後、500gの粒子状の錘を固定せずに搬送体上に載置したところ、共振周波数が268.8Hzとなり、この周波数における電圧検出値Vd2のベース曲線の共振点における値は23.5V、加速度は16.3Gになった。そして、このときの電圧降下量ΔVd2は1.7Vであった。このため、元の電圧指令値3Vに電圧降下量の変動比R=ΔVd1/ΔVd2=1.4を乗算することにより得られた4.2Vの値に電圧指令値を変更した。これにより、共振周波数は268.5Hz、この周波数における電圧検出値Vd3のベース曲線の値は33.8V、電圧降下量は1.8V、そして、加速度は23.2Gとなった。なお、上記の各値はそれぞれ小数点以下1位までの四捨五入で示してある。
The corrected data shown in FIGS. 12 and 13 are experimental results when the voltage command value output from the
上記の変動比Rを補正パラメータとする補正方法としては上記方法に限らず、振動負荷の変化前後の加速度の変化を抑制できる方法であればいかなる方法であってもよい。ここで、上記補正パラメータを適用する対象が電圧制御パラメータである。電圧制御パラメータは上記の例で示した電圧指令値に限らない。例えば、振動負荷の変化後に共振点で検出された電圧検出値Vd2に上記比Rを乗算した値が補正後の電圧検出値Vd3となるように、すなわち、Vd3=R・Vd2=Vd2・ΔVd2/ΔVd1となるように、共振点の電圧検出値の極小値を上記で電圧制御パラメータとして、これが補正値となるように新たな電圧指令値を設定する方法が考えられる。また、電圧制御パラメータとして上記ベース曲線における共振点近傍の電圧値を用いてもよい。この場合、ベース曲線の値が上記比Rで補正した値となるように電圧指令値を設定する。例えば、上記の例では、振動負荷が変化した後のベース曲線Bの共振点における値が23.5Vであるので、これに上記比R=1.4を乗算すると32.9Vとなる。したがって、補正後のベース曲線Bの共振点における値が32.9Vに近づくように新たな電圧指令値を設定することになる。 The correction method using the variation ratio R as a correction parameter is not limited to the above method, and any method may be used as long as it can suppress the change in acceleration before and after the change of the vibration load. Here, the target to which the correction parameter is applied is the voltage control parameter. The voltage control parameter is not limited to the voltage command value shown in the above example. For example, a value obtained by multiplying the voltage detection value Vd2 detected at the resonance point after the change of the vibration load by the ratio R becomes a corrected voltage detection value Vd3, that is, Vd3 = R · Vd2 = Vd2 · ΔVd2 / A method of setting a new voltage command value such that the minimum value of the voltage detection value at the resonance point is set as the voltage control parameter and becomes a correction value so as to be ΔVd1 can be considered. Further, a voltage value near the resonance point in the base curve may be used as the voltage control parameter. In this case, the voltage command value is set so that the value of the base curve becomes a value corrected by the ratio R. For example, in the above example, since the value at the resonance point of the base curve B after the vibration load is changed is 23.5 V, when this is multiplied by the ratio R = 1.4, it becomes 32.9 V. Therefore, a new voltage command value is set so that the value at the resonance point of the corrected base curve B approaches 32.9V.
上記の例では電圧検出値Vdのフィードバック制御を行わない場合を前提として、補正パラメータを電圧降下量とする方法について説明したが、電圧検出値Vdのフィードバック制御を行う場合には、一旦フィードバック制御を停止して上記と同様の補正パラメータの検出を行うか、或いは、補正パラメータとして上記電圧降下量の変動比の代わりに電圧指令値の電圧上昇量の変動比を用いる。また、この場合には、電圧制御パラメータとして制御目標値である電圧基準値Vrを用いることができる。すなわち、補正前の電圧基準値Vrに上記補正パラメータ(電圧上昇量の変動比)を乗算することで補正された新たな電圧基準値Vrを算出し、その後は、新たな電圧基準値を制御目標値として電圧検出値Vdのフィードバック制御を行う。 In the above example, the method of setting the correction parameter as the voltage drop amount is described on the assumption that the feedback control of the voltage detection value Vd is not performed. However, when the feedback control of the voltage detection value Vd is performed, the feedback control is temporarily performed. Either stop and detect the same correction parameter as above, or use the fluctuation ratio of the voltage increase of the voltage command value instead of the fluctuation ratio of the voltage drop as the correction parameter. In this case, a voltage reference value Vr that is a control target value can be used as the voltage control parameter. That is, a new voltage reference value Vr corrected by multiplying the voltage reference value Vr before correction by the correction parameter (the fluctuation ratio of the voltage increase amount) is calculated, and thereafter, the new voltage reference value is set as the control target. As a value, feedback control of the voltage detection value Vd is performed.
尚、本発明の振動式搬送装置及び励振用駆動回路は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記の振動式搬送装置10としては直線状の搬送路を備えた装置を例示したが、ボウル型パーツフィーダ等のように螺旋状の搬送路を有する装置であっても構わない。また、上記の慣性体6を有するような防振タイプの振動式搬送装置に限らず、直接若しくはバネ材を介して圧電駆動体に接続されてなる搬送体を有する種々の装置に適用することができる。
The vibration transfer device and the drive circuit for excitation according to the present invention are not limited to the above-described illustrated examples, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention. For example, as the above-described vibration
3…振動発生源、10…振動式搬送装置、100…励振用駆動回路、110…商用電源、120…直流電源、130…インバータ、140、150…インダクタ、160…振動発生源、170…検出トランス、180…制御部、190…PWM回路、A…加速度、Vo…供給電圧、Vp…出力電圧、Vs…両端電圧、Vd、Vd1、Vd2、Vd3…電圧検出値(特性曲線)、ΔVd1、ΔVd2、ΔVd3…電圧降下量、I…電流、ΔP…位相差、B…ベース曲線
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記振動発生源として、前記搬送体に対して直接若しくは間接的に接続された弾性金属板と、該弾性金属板に対して絶縁層を介して接着され、複数の圧電層と複数の電極層とが交互に積層されてなる積層型の圧電素子とを有する圧電駆動体を用い、
所要の直流電圧を出力する直流電源と、
前記交流電圧をPWM駆動により交流の出力電圧に変換して前記圧電素子に印加するインバータと、
前記インバータと前記圧電素子との間に接続されるインダクタと、
前記圧電素子の両端電圧を直接検出する電圧検出手段と、
前記インバータの周波数及び電圧値を設定可能で、かつ、前記電圧検出手段の電圧検出値に応じて前記インバータを制御可能に構成されているインバータ制御手段と、
を具備することを特徴とする振動式搬送装置。 In the vibration type conveying apparatus that conveys the conveyed object by vibrating the conveying body by applying an AC voltage to the vibration generating source,
As the vibration generation source, an elastic metal plate directly or indirectly connected to the carrier, and an adhesive layer bonded to the elastic metal plate via an insulating layer, a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrode layers Using a piezoelectric driving body having a laminated piezoelectric element in which are alternately laminated,
A DC power supply that outputs the required DC voltage;
An inverter that converts the AC voltage into an AC output voltage by PWM driving and applies the AC voltage to the piezoelectric element;
An inductor connected between the inverter and the piezoelectric element;
Voltage detecting means for directly detecting the voltage across the piezoelectric element;
Inverter control means configured to be able to set the frequency and voltage value of the inverter and to control the inverter according to the voltage detection value of the voltage detection means;
A vibratory conveying device comprising:
In a vibration-type transfer device that transfers an object by vibrating an object by applying an AC voltage to a vibration source, the vibration source includes a piezoelectric element for excitation, and a DC power source that outputs a required DC voltage And an inverter that converts the DC voltage into an AC output voltage by PWM drive and applies it to the vibration generating source, an inductor connected between the inverter and the piezoelectric element, and a voltage across the piezoelectric element. Voltage detection means including a detection transformer for direct detection, and the frequency and voltage value of the output voltage of the inverter can be set, and the inverter can be controlled according to the voltage detection value of the voltage detection means And an inverter control means.
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